11. Хрупкое разрушение
С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее, чем вязкое. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий катастрофически быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Поэтому сведение о механизме хрупкого разрушения и условиях, которые ему способствуют или его затрудняют, особенно важны.
Как уже отмечалось, металлы и сплавы идеально хрупко, без предварительной пластической деформации, не разрушаются. Хрупкая трещина, так же, как и вязкая, возникает АО современным представлениям в результате пластической деформации. Развитие ее происходит в основном на закритической стадии в отличие от вязкой трещины, развитие которой идет стабильно.
Хрупкая трещина при внутризеренном (транскристаллитном) разрушении (трещина скола) обычно распространяется вдоль кристаллографической плоскости с малыми индексами. Поверхность такого излома характеризуется наличием так называемого (речного узора), который образуется в результате пересечения больших поверхностей «первичного» скола в системе параллельных плотно упакованных плоскостей с последующим разрывом перемычек между ними за счет «вторичного» разрушения примерно под углом 90° к основному сколу, как показано на рис. 11.1.
В отличие от вязкого, хрупкое разрушение может быть не только внутри- но и межзеренным (скол происходит в объеме всего зерна, образуя межзеренную фасетку). Последнее наблюдается особенно часто в сплавах, где по границам зерен располагаются прослойки второй фазы, а также в технических металлах и сплавах, в которых развита равновесная зернограничная сегрегация примесей. Сегрегация примесных атомов на границах зерен снижает их поверхностную энергию, облегчая тем самым развитие трещины вдоль поверхности границ зерен.
Рис. 11.1. Схемы различных видов хрупкого разрушения
При межзеренном – интеркристаллитном разрушении трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии на границах второй фазы – вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри включений (рис. 11.1 в). В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. Структура поверхности скола при узкой пластической зоне у вершины, развивающейся хрупкой трещины, резко отличается от вязкого излома. При осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный скол не идеально гладок. На его поверхности обычно имеются ступеньки, придающие структуре вид ручьистых узоров. В поликристаллических образцах вид этих узоров при переходе от зерна к зерну меняется. Каждая линия речного узора соответствует разнице в уровнях, то есть ступеньке на поверхности излома.
Появление ступенек в некоторых случаях связано с тем, что разрушение идет путем распространения одновременно нескольких параллельных трещин, которые соединяются друг с другом вследствие разрыва тонких перемычек. Но во многих случаях хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины в отличие от вязкого разрушения, при котором развивается множество трещин. В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути движения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла и встречает на своем пути две винтовые дислокации, то после разделения кристалла на части поверхность излома каждой из них будет содержать две ступеньки, что легко представить себе, вспомнив атомную схему винтовой дислокации.
В процессе развития трещины такие ступеньки могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций и слияния элементарных ступенек возникают ступеньки, высота которых достаточна для их выявления при микроскопическом анализе.
Другой возможный механизм возникновения ступенек на поверхности скола – появление зародышевой микротрещины в одной плоскости и ее постепенный переход в другую плоскость скола с образованием ряда уступов.
Краевые дислокации не могут быть причиной образования ступенек: на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет направление.
Хрупкое разрушение как наименее энергоемкое является наиболее опасным и говорит о малой надежности материала. Чаще всего переход в хрупкое состояние рассматривается в связи с изменением температуры, часто говорят о хладноломкости, то есть о появлении хрупкости материала при пониженных температурах. Такой переход характеризуется порогом хладноломкости, то есть температурой перехода в хрупкое состояние.
Однако появление хрупкости может быть и при повышенных температурах, что связано с упорядочением, со старением, с оплавлением легкоплавких фаз. Это наиболее ярко проявляется у сталей при малом содержании марганца и с содержанием меди 0,4-0,5 %. Такой вид хрупкости называется красноломкостью, так как она появляется при температурах красного свечения – 850-1150 °С – это температура горячей обработки металлов давлением. Связано это с тем, что медь при повышенных температурах имеет тенденцию диффундировать к поверхности детали по границам зерен, что ослабляет границы с точки зрения возможности зарождения трещины. Марганец образует с серой соединение MnS, которое хотя и хрупкое при комнатных температурах, при повышенных температурах пластичное, что не мешает горячей обработке металла давлением. При дефиците марганца железо взаимодействует с серой образуя соединение FeS, которое с железом дает легкоплавкую эвтектику FeS-Fe с температурой плавления 988 °С, поэтому при нагревании до 1000 °С она оплавляется и приводит к образованию трещины.
Очередным проявлением хрупкости при повышенных температурах является синеломкость, которая наблюдается у низкоуглеродистой стали с содержанием углерода менее 0,1 %. При нагреве такой стали до 250-300 °С (синие цвета побежалости) сталь охрупчивается. Атомы азота, образуя облака Котрелла, тормозят дислокации, что повышает хрупкость именно при данных температурах. Для повышения пластичности при технологических операциях обработки металлов давлением необходимо непосредственно перед, например, штамповкой произвести предварительную механическую деформацию, чтобы оторвать примесные облака от дислокаций.
Хрупкий переход хорошо иллюстрирует схема Иоффе (рис. 11.2). Напряжение отрыва Sотр практически не зависит от температуры, а напряжения начала пластической деформации с повышением температуры, как правило, падают. Если температура эксперимента меньше температуры перехода в хрупкое состояние Тхр, напряжение отрыва достигается раньше, чем напряжение сдвига и разрушение произойдет по хрупкому механизму. И, наоборот, при температуре эксперимента больше температуры перехода в хрупкое состояние раньше будут достигаться напряжения разрушения сдвигом, и разрушение произойдет по вязкому механизму.
Рис. 11.2. Схема Иоффе
Увеличение скорости деформации также практически не влияет на напряжение отрыва, но повышает предел текучести (рис. 11.2 кривая 2), что повышает порог хладноломкости.
Для повышения пластичности, то есть для создания условий вязкого разрушения при борьбе с хрупкостью необходимо предотвратить процессы, тормозящие движение дислокаций, то есть либо убрать препятствия на пути дислокаций, либо сделать их менее эффективными. Очень сильно повышают хрупкость облака Котрелла в ОЦК кристаллах, следовательно, очистка от примесей снизит хрупкость. Повышению вязкости в изломе способствует создание полигональной структуры при термомеханической обработке, образование определенной текстуры, измельчение зерна (так как при этом уменьшается длина свободного пробега дислокации, соответственно, при их взаимодействии могут получиться трещины, но малой длины), измельчение хрупких выделений по границам зерен.
Особый вид хрупкого разрушения – замедленное разрушение, которое наблюдается у высокопрочных материалов (титановые сплавы, высокопрочные стали), находящихся при комнатной температуре в нормальной среде при небольших, не выше критических напряжениях (заклепки, болты). Такой вид разрушения связан с неоднородностью распределения напряжений в деталях и заторможенностью релаксационных процессов. Характерной особенностью замедленного разрушения является макрохрупкий излом.
Замедленное разрушение может проходить в различных средах (на воздухе, в воде и т.п.). Когда этот вид разрушения рассматривается в коррозионной среде, говорят о коррозионном растрескивании или коррозии под напряжением.
Причины зарождения трещин под действием столь низких напряжений различны для разных материалов. Это могут быть и значительные остаточные напряжения, концентрирующиеся у каких-то неоднородностей структуры, водород, процессы распада твердого раствора в результате естественного старения и т.п. Важной общей причиной замедленного разрушения является водородное охрупчивание. Оно связано с резко различной растворимостью водорода в твердых металлах при высоких и низких температурах.
Замедленное разрушение конструкций инициируется надрезами, трещинами, перекосами, а также действием коррозионных и поверхностно-активных сред. Последние резко ускоряют зарождение и развитие трещин либо за счет анодного растворения металла в вершине трещины, либо за счет эффекта Ребиндера – адсорбции поверхностно-активных веществ, уменьшающих работу раскрытия трещины. Вне зависимости от трактовки механизма коррозионного растрескивания общим для разных материалов и сред является существенное (на порядки) уменьшение времени до разрушения в коррозионной среде по сравнению с воздухом. Этот эффект используется в практике механических испытаний на замедленное разрушение. Для уменьшения времени испытаний нагружение ведут в коррозионной среде.